Sześć kluczowych metod castingu: Kompleksowe porównanie & Spostrzeżenia

Wstęp

Odlew, jako jeden z najwcześniej opanowanych przez ludzi procesów obróbki metali na gorąco, może poszczycić się historią liczącą ok 6,000 lata.

Chiny wkroczyły w okres rozkwitu odlewów z brązu pomiędzy 1700 p.n.e. i 1000 PRZED CHRYSTUSEM, z kunsztem odlewniczym osiągającym dość zaawansowany poziom.

Jako podstawowy proces nowoczesnej produkcji, odlewanie umożliwia formowanie elementów metalowych o skomplikowanych kształtach, które są trudne do wytworzenia poprzez kucie lub obróbkę skrawaniem, i jest szeroko stosowany w lotnictwie, automobilowy, maszyneria, i instrumenty precyzyjne.

Wybór metod odlewania bezpośrednio determinuje jakość odlewu, Wydajność produkcji, i koszty produkcji.

1. Casting z zielonego piasku (Konwencjonalne odlewanie piaskowe)

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Zielony odlewanie piasku to najbardziej tradycyjna i powszechnie stosowana metoda odlewania na całym świecie.

Podstawowym surowcem jest piasek odlewniczy (głównie piasek krzemionkowy; specjalne piaski, takie jak piasek cyrkonowy i piasek korundowy, są stosowane, gdy piasek krzemionkowy nie spełnia wymagań wysokotemperaturowych) i spoiwa piaskowe (najczęstsza jest glina; suchy olej, rozpuszczalny w wodzie krzemian, fosforan, i żywice syntetyczne są alternatywnymi opcjami).

Zewnętrzne formy piaskowe dzielą się na trzy typy w zależności od spoiw i mechanizmów wzmacniających: pleśń z zielonej gliny i piasku, sucha pleśń gliniasto-piaskowa, i chemicznie związaną pleśń piaskową.

Roztopiony metal wlewa się do formy piaskowej, który zestala się tworząc odlewy, a forma po jednorazowym zalaniu ulega uszkodzeniu i nie nadaje się do ponownego użycia.

Zalety

• Ekonomiczne surowce: Glina jest bogata w zasoby i ma niską cenę; nad 90% zużytego zielonego piasku gliniastego można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać po obróbce piasku, ograniczenie strat materiałowych.
• Wysoka elastyczność procesu: Krótki cykl wytwarzania formy i wysoka wydajność; mieszany piasek formierski ma długą żywotność; można go dostosować do małych, duży, prosty, i skomplikowane odlewy, jak i jednoczęściowe, mała partia, i scenariusze produkcji masowej.
• Niski próg wyposażenia: Nie wymaga wysokiej klasy specjalistycznego sprzętu, nadaje się do małych i średnich odlewni.

Wady & Ograniczenia

• Niska wydajność produkcji: Każda forma piaskowa może być użyta tylko raz i należy ją ponownie uformować przed kolejnymi odlewami, co prowadzi do niskiej ciągłej wydajności produkcji.
• Słaba dokładność wymiarowa: Sztywność form piaskowych jest niska, co daje stopnie tolerancji wymiarowej odlewu CT10 – CT13, które nie są w stanie spełnić wymagań o wysokiej precyzji.
• Wysokie ryzyko defektów: Odlewy są podatne na typowe wady, takie jak wymywanie piasku, włączenie piasku, Porowatość gazu, oraz porowatość skurczową wynikającą z luźnej struktury form piaskowych.
• Gorsza jakość powierzchni: Powierzchnia odlewu jest stosunkowo szorstka, wymagające dodatkowej obróbki w celu poprawy wykończenia.

2. Casting inwestycyjny (Odlew z traconego wosku)

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Casting inwestycyjny, powszechnie znany jako odlewanie na wosk tracony, charakteryzuje się zaawansowanym przebiegiem procesów:

wytwarzać wzory woskowe przy użyciu materiałów topliwych, pokryj wiele warstw materiałów ogniotrwałych na powierzchni modelu, aby utworzyć powłokę ceramiczną, roztopić i usunąć wzór wosku, aby uzyskać formę bez rozdzielających się powierzchni, i wykonać prażenie w wysokiej temperaturze przed wylaniem stopionego metalu.

Ma zastosowanie do szerokiej gamy stopów, w tym stal węglowa, stal stopowa, stop żaroodporny, stal nierdzewna, stop miedzi, stop aluminium, stop tytanu, i żelazo plastyczne, szczególnie do materiałów trudnych w obróbce poprzez kucie lub cięcie.

Zalety

• Doskonała dokładność wymiarowa: Tolerancja odlewania stopnie osiągają CT4 – CT6, znacznie wyższa niż w przypadku odlewania z zielonego piasku (CT10 - CT13) i porównywalne z odlewaniem ciśnieniowym (CT5–CT7), minimalizacja obróbki po odlewaniu.
• Wysokie wykorzystanie materiału: Znacząco zmniejsza objętość obróbki formowanych i współpracujących powierzchni, oszczędność czasu obróbki i zużycia narzędzi skrawających, z przekroczeniem stopnia wykorzystania materiału 90%.
• Silna zdolność dostosowywania kształtu: Potrafi odlewać niezwykle złożone komponenty, części cienkościenne (minimalna grubość ścianki 0,5mm), i odlewy mikrowymiarowe (minimalna waga 1g);
  obsługuje również zintegrowane odlewanie zmontowanych części, uproszczenie późniejszych procesów montażowych.
• Szeroka kompatybilność stopów: Nadaje się do prawie wszystkich materiałów metalowych, w tym stopy wysokotemperaturowe, stopy magnezu, stopy tytanu, oraz metale szlachetne, które są trudne do przetworzenia innymi metodami.
• Elastyczna skala produkcji: Przystosowuje się do produkcji masowej, produkcja małoseryjna, a nawet personalizacja jednoczęściowa, z silną skalowalnością.

Wady & Ograniczenia

• Złożony przebieg procesu: Ma najbardziej skomplikowany proces spośród wszystkich metod odlewania, polegającą na wykonywaniu wzorów woskowych, powłoka skorupy, DEWAXING, prażenie, i nalewanie, wymagające ścisłej kontroli procesu.
• Ograniczony rozmiar odlewu: Nie nadaje się do dużych odlewów; maksymalna waga konwencjonalnych odlewów metodą traconego paliwa zwykle nie przekracza 50 kg, ponieważ duże muszle są podatne na pękanie podczas pieczenia i zalewania.
• Niska szybkość chłodzenia: Powłoka ceramiczna ma niską przewodność cieplną, co prowadzi do powolnego krzepnięcia stopionego metalu, co może powodować gruboziarniste struktury w niektórych stopach.
• Wysoki koszt produkcji: Koszt wzorów woskowych, materiały ogniotrwałe, a kontrola procesu jest stosunkowo wysoka; jest to ekonomicznie opłacalne tylko w połączeniu z ograniczeniem obróbki i oszczędnością materiału.

3. Odlewanie ciśnieniowe

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Odlewanie ciśnieniowe to metoda odlewania pod wysokim ciśnieniem, która polega na wtryskiwaniu z dużą prędkością stopionego metalu do precyzyjnej metalowej wnęki formy (10–50 m/s) pod wysokim ciśnieniem (20–150MPa), i zestalanie metalu pod ciśnieniem w celu utworzenia odlewów.

Ma dwa podstawowe procesy: Casting na gorąco (roztopiony metal automatycznie przepływa do komory ciśnieniowej) i odlewanie ciśnieniowe w zimnej komorze (roztopiony metal jest ręcznie lub automatycznie wlewany do komory ciśnieniowej).

Forma wykonana jest ze stali matrycowej o wysokiej wytrzymałości, zapewniając wielokrotne użycie.

Zalety

• Najwyższa jakość produktu: Dokładność wymiarowa odlewu sięga klasy 6–7 (nawet stopień 4 do produktów precyzyjnych) o chropowatości powierzchni Ra 5–8μm;
  wytrzymałość i twardość są o 25–30% wyższe niż w przypadku odlewów z świeżego piasku w wyniku krzepnięcia pod ciśnieniem, chociaż wydłużenie zmniejsza się o około 70%.
• Bardzo wysoka wydajność produkcji: Pozioma maszyna do odlewania ciśnieniowego z zimną komorą może wykonać 600–700 cykli na 8 godziny,
  podczas gdy mała maszyna do odlewania ciśnieniowego z gorącą komorą może wykonać 3 000–7 000 cykli, znacznie przewyższające inne metody odlewania.
• Długa żywotność formy: Formy do odlewania ciśnieniowego stopów cynku mogą wytrzymać setki tysięcy, a nawet miliony razy, obniżenie długoterminowych kosztów produkcji.
• Łatwa automatyzacja: Proces ten jest wysoce kompatybilny z mechanizacją i automatyzacją, obniżenie kosztów pracy i poprawa stabilności produkcji.
• Doskonałe korzyści ekonomiczne: Odlewy wymagają minimalnej obróbki lub nie wymagają jej wcale, poprawa wykorzystania metalu i zmniejszenie inwestycji w sprzęt do przetwarzania;
  kombinowane odlewanie ciśnieniowe materiałów metalowych i niemetalowych oszczędza czas montażu i surowce.

Wady & Ograniczenia

• Wysokie ryzyko defektu porowatości gazowej: Napełnianie z dużą prędkością prowadzi do niestabilnego przepływu roztopionego metalu,
  łatwo zatrzymując gaz, tworząc porowatość wewnętrzną, co sprawia, że ​​odlewy nie mogą być poddawane obróbce cieplnej (obróbka cieplna powoduje rozszerzanie się gazu i pękanie).
• Słaba zdolność adaptacji do złożonych wewnętrznych części wklęsłych: Trudno jest rozebrać wewnętrzne wklęsłe złożone struktury, ograniczenie projektowania kształtów odlewów.
• Krótka żywotność formy dla stopów o wysokiej temperaturze topnienia: Do stopów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak stopy miedzi i metale żelazne, forma jest podatna na zmęczenie cieplne i zużycie, znacznie skracając żywotność.
• Nie nadaje się do produkcji małoseryjnej: Koszt produkcji formy jest wysoki, a wysoka wydajność maszyn odlewniczych sprawia, że ​​produkcja małoseryjna jest ekonomicznie nieopłacalna.

4. Trwałe odlewanie form (Odlewanie z twardych form)

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Trwałe odlewanie w formie, zwane także twardym odlewaniem, polega na wlaniu roztopionego metalu do metalowej formy w celu uformowania odlewów.

Forma jest wykonana z żeliwa lub staliwa i może być ponownie używana od setek do tysięcy razy, stąd nazwa „trwała pleśń”.

Wewnętrzna wnęka odlewów może wykorzystywać rdzenie metalowe lub rdzenie piaskowe, a struktury formy są podzielone na poziome przedziały, pionowe rozstanie, i przegroda kompozytowa w celu dostosowania do różnych kształtów odlewów:

pionowe rozcięcie ułatwia wlew i rozformowanie, przecięcie poziome dotyczy cienkościennych części w kształcie koła, a przecinanie złożone dotyczy złożonych komponentów.

Zalety

• Doskonała możliwość ponownego użycia formy: „Jedna forma do wielu odlewów” eliminuje potrzebę wielokrotnego wykonywania form, oszczędność materiałów formierskich i czasu, i poprawę wydajności produkcji.
• Wysoka wydajność odlewania: Metalowa forma ma dużą zdolność chłodzenia, co prowadzi do gęstej struktury odlewu i lepszych właściwości mechanicznych w porównaniu do odlewów piaskowych.
• Dobra dokładność wymiarowa i jakość powierzchni: Klasy tolerancji odlewów osiągają IT12–IT14, chropowatość powierzchni Ra ≤6,3μm, zmniejszenie nakładu pracy związanej z przetwarzaniem końcowym.
• Lepsze warunki pracy: Używa niewielkiej ilości piasku lub nie używa go wcale, unikanie zanieczyszczeń pyłowych i optymalizacja środowiska pracy pracowników.

Wady & Ograniczenia

• Wysoki koszt formy i długi cykl produkcyjny: Forma metalowa wymaga materiałów o wysokiej wytrzymałości i precyzyjnej obróbki,
  z wysokimi inwestycjami początkowymi i długim czasem realizacji, nieodpowiednie do produkcji jednostkowej i małoseryjnej.
• Ograniczone stosowane stopy i rozmiary odlewów: Nadaje się głównie do masowej produkcji odlewów ze stopów metali nieżelaznych (tłoki aluminiowe, bloki cylindrów, głowice cylindrów, tuleje ze stopu miedzi, itp.) dla samochodów, samolot, i silniki spalinowe;
  do odlewów ze stopów żelaza, ma zastosowanie tylko do małych i średnich części o prostych kształtach.
• Surowe wymagania procesowe: Forma wymaga wstępnego podgrzania i kontroli temperatury, aby uniknąć zimnych zamknięć i pękania formy; jest podatny na zmęczenie cieplne po długotrwałym użytkowaniu, wpływające na jakość odlewu.

5. Odlewanie pod niskim ciśnieniem

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Odlewanie niskociśnieniowe to metoda odlewania polegająca na wypełnieniu formy i zestaleniu stopionego metalu pod niskim ciśnieniem (0.02-0,06 MPa).

Podstawowy proces obejmuje: wlewanie roztopionego metalu do izolowanego tygla, uszczelnienie tygla, łącząc rurę wznośną z formą, wprowadzenie suchego sprężonego powietrza do tygla w celu wypchnięcia stopionego metalu w górę przez rurę wznośną w celu wypełnienia wnęki formy,
krzepnięcie metalu pod stałym ciśnieniem, zwalniając ciśnienie, aby resztki stopionego metalu spłynęły z powrotem do tygla, i na koniec otwarcie formy w celu wyjęcia odlewu.

Zalety

• Elastyczna kontrola procesu: Można regulować prędkość narastania stopionego metalu i ciśnienie krzepnięcia, nadaje się do różnych form (metalowe formy, Formy piaskowe) i stopy, a także odlewy o różnych rozmiarach.
• Stabilne wypełnienie i niski wskaźnik defektów: Wypełnienie od dołu do góry zapewnia płynny przepływ roztopionego metalu bez rozpryskiwania, unikanie uwięzienia gazu i erozji ścian i rdzeni form;
  Defekty odlewnicze, takie jak porowatość gazowa i wtrącenia żużla, są znacznie zmniejszone, ze wskaźnikiem kwalifikacji powyżej 95%.
• Wysokiej jakości odlewy: Zestalanie ciśnieniowe realizuje kierunkowe krzepnięcie od zewnątrz do wewnątrz, co skutkuje gęstą strukturą odlewu,
  wyraźne kontury, gładkie powierzchnie, i doskonałe właściwości mechaniczne, szczególnie nadaje się do dużych cienkościennych części.
• Wysokie wykorzystanie materiału: Nie jest wymagana żadna rura zasilająca, przy stopniu wykorzystania materiału sięgającym 90–98%, zmniejszenie ilości odpadów metalowych.
• Przyjazne środowisko pracy: Niska intensywność pracy, prosty sprzęt, i łatwą realizację mechanizacji i automatyzacji, spełniające współczesne wymagania produkcyjne.

Wady & Ograniczenia

• Krótka żywotność rury pionowej: Rura wznośna przez długi czas ma bezpośredni kontakt z roztopionym metalem o wysokiej temperaturze, podatne na utlenianie i zużycie, wymagające regularnej wymiany.
• Ryzyko zanieczyszczenia stopionym metalem: Podczas konserwacji termicznej, stopiony metal łatwo utlenia się i miesza z żużlem, wymagające ścisłej kontroli środowiska utrwalania ciepła i oczyszczania stopionego metalu.
• Ograniczony zakres zastosowania: Stosowany głównie do odlewania wysokiej jakości odlewów ze stopów aluminium i stopów magnezu, takie jak bloki cylindrów, głowice cylindrów, skrzynie korbowe, oraz aluminiowe tłoki silników spalinowych o dużej prędkości obrotowej; jest rzadko stosowany do stopów żelaza ze względu na wymagania dotyczące wysokich temperatur.

6. Casting odśrodkowy

Definicja rdzenia & Zasada procesu

Odlewanie odśrodkowe polega na wlewaniu stopionego metalu do obracającej się formy, gdzie metal wypełnia formę i krzepnie pod wpływem siły odśrodkowej.

Zgodnie z orientacją osi obrotu formy, dzieli się na trzy typy: poziome odlewanie odśrodkowe (oś pozioma lub <4° do poziomu, nadaje się do długich części cylindrycznych),

pionowe odlewanie odśrodkowe (oś pionowa, nadaje się do krótkich części cylindrycznych lub pierścieniowych), i odlewanie odśrodkowe z nachyloną osią (rzadko używany ze względu na złożoną operację).

Siła odśrodkowa napędza kierunkowy ruch stopionego metalu, optymalizacja struktury odlewu.

Zalety

• Uproszczona konstrukcja formy: Do pustych części obrotowych, brak rdzenia, System bramkowania, lub pion jest potrzebny, uproszczenie projektowania form i zmniejszenie kosztów produkcji.
• Wysokiej jakości odlewy: Siła odśrodkowa oddziela gazy i żużle o małej gęstości na powierzchnię wewnętrzną,
  i sprzyja kierunkowemu zestalaniu od zewnątrz do wewnątrz, co skutkuje gęstą strukturą odlewu, kilka defektów, i doskonałe właściwości mechaniczne.
• Oszczędność kosztów w przypadku części bimetalicznych: Łatwe do odlewania elementy bimetaliczne, takie jak tuleje i łożyska (np., tuleje stalowe z cienką miedzianą okładziną), oszczędzając drogie metale nieżelazne, zapewniając jednocześnie wydajność.
• Silna zdolność napełniania: Siła odśrodkowa zwiększa płynność roztopionego metalu, nadaje się do odlewania cienkościennych części i stopów o słabej płynności.
• Mniejsze straty materiału: Eliminuje systemy wlewowe i piony, dalsza poprawa wykorzystania materiałów.

Wady & Ograniczenia

• Zła jakość powierzchni wewnętrznej: Wewnętrzna powierzchnia wolna odlewów jest chropowata, z dużymi błędami wymiarowymi i słabą jednorodnością, wymagające późniejszej obróbki w celu spełnienia wymagań wymiarowych.
• Nieodpowiedni dla niektórych stopów: Nie dotyczy stopów o dużej segregacji gęstościowej (np., brąz ołowiowy), ponieważ siła odśrodkowa zaostrzy segregację;
  nie nadaje się również do stopów aluminium i magnezu ze względu na ich niską gęstość i słaby efekt separacji odśrodkowej.
• Ograniczone kształty odlewów: Nadaje się tylko do obracających się części symetrycznych (cylindry, pierścienie, rękawy); nie można odlewać części o skomplikowanych kształtach i nieregularnych konturach.
• Wysokie wymagania sprzętowe: Wymaga specjalistycznych maszyn odlewniczych odśrodkowych ze stabilną regulacją prędkości obrotowej, zwiększenie inwestycji w sprzęt.

7. Tabela porównawcza powszechnie stosowanych metod odlewania

8. Wniosek

Każda metoda odlewania oferuje unikalne zalety i ograniczenia, które czynią ją odpowiednią do określonych zastosowań.

Odlewanie piaskowe pozostaje najbardziej wszechstronną i ekonomiczną metodą w przypadku dużych, złożone odlewy, podczas gdy odlewanie metodą traconą zapewnia wyjątkową precyzję komponentów o wysokiej wartości.

Odlewy ciśnieniowe doskonale sprawdzają się w masowej produkcji części cienkościennych, i trwałe odlewanie w formach zapewniają stałą jakość w przypadku średnioseryjnej produkcji metali nieżelaznych.

Odlewanie niskociśnieniowe jest idealne do elementów aluminiowych i magnezowych o wysokiej integralności, a odlewanie odśrodkowe nie ma sobie równych w przypadku pustych, symetrycznych części.

Wybór odpowiedniej metody odlewania zależy od czynników, w tym od geometrii części, wymagana dokładność wymiarowa, wykończenie powierzchni, Typ materiału, wielkość produkcji, i względy kosztowe.

Współczesna produkcja w coraz większym stopniu łączy te techniki, aby wykorzystać ich uzupełniające się zalety, wprowadzanie innowacji w produkcji złożonych komponentów w przemyśle lotniczym, automobilowy, i sektory przemysłowe.